SBBR系统短程硝化处理低碳城市污水研究张立秋

SBBR系统短程硝化处理低碳城市污水研究张立秋1，张朝升1，张可方1，荣宏伟1，李淑更2(1．广州大学土木工程学院，广东广州510006;2．广州大学环境科学与工程学院，广东广州510006)摘要:采用序批式生物膜反应器(SBBR)，应用短程硝化技术处理南方地区的低碳城市污水。在进水TN为25．6～32．1mg/L、COD为50～100mg/L、pH值为7．1～7．6、温度为24～29℃的条件下，进行曝气量对氨氧化速率及短程硝化效果的影响研究，同时考察了SBBR反应器的生物膜特性。结果表明:在曝气量为100～200L/h范围内，氨氧化速率随着曝气量的增加而增大;在曝气量为100～120L/h条件下能够实现NO－2－N的稳定积累和高效短程硝化，且有较明显的同步硝化反硝化(SND)过程，对TN的去除率在48．1%～60．1%之间。同时，由于生物膜复杂的食物链结构，还实现了系统的污泥减量。关键词:序批式生物膜反应器;短程硝化;氨氧化速率;NO－2－N积累率;同步硝化反硝化中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1000－4602(2012)07－0012－05基金项目:国家自然科学基金资助项目(51178125);广东省自然科学基金资助重点项目(9251009101000001);广州市属高校科研项目(10A056);广州市科技计划项目(2010Z1－E051)TreatmentofLowCarbonUrbanSewagewithShort-cutNitrificationProcessinSequencingBatchBiofilmReactorZHANGLi-qiu1，ZHANGChao-sheng1，ZHANGKe-fang1，RONGHong-wei1，LIShu-geng2(1．SchoolofCivilEngineering，GuangzhouUniversity，Guangzhou510006，China;2．SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，GuangzhouUniversity，Guangzhou510006，China)Abstract:LowcarbonurbansewageinsouthChinawastreatedbytheshort-cutnitrificationprocessinasequencingbatchbiofilmreactor(SBBR)．Theeffectsofaerationrateonammoniaoxidationrateandshort-cutnitrificationperformancewerestudiedundertheoperatingconditionsofinfluentTN25．6to32．1mg/L，COD50to100mg/L，pH7．1to7．6andtemperature24to29℃．Thecharacter-isticsofbiofilminSBBRwereinvestigated．Theresultsshowedthattheammoniaoxidationrateincreasedwithanincreaseofaerationratefrom100to200L/h．Underaerationrateof100to120L/h，stableni-triteaccumulationandeffectiveshort-cutnitrificationcouldberealizedandsimultaneousnitrificationanddenitrification(SND)alsooccurred．TheTNremovalratewas48．1%to60．1%．Meanwhile，sludgereductionwasachievedbecauseofthecomplexfoodchaininbiofilm．Keywords:SBBR;short-cutnitrification;ammoniaoxidationrate;nitriteaccumulationra-tio;SND·21·第28卷第7期2012年4月中国给水排水CHINAWATER＆WASTEWATERVol．28No．7Apr．2012与传统硝化反硝化相比，短程硝化反硝化不仅可以节省能耗约25%(以氧计)，节约碳源约40%，而且可以缩短反应时间，大幅度降低污泥的产生量。国内外学者对短程硝化反硝化进行了大量的试验研究，但主要集中在影响因素方面，如pH值、游离氨(FA)浓度、溶解氧、有害物质及污泥龄等［1～8］，而对于在序批式生物膜反应器(SBBR)中采用短程硝化处理南方地区低碳城市污水的系统研究还未见报道。笔者采用SBBR反应器处理低碳城市污水，考察了曝气量对氨氧化速率及NO－2－N积累率的影响，并分析了系统的微生物特性。1试验材料和方法1.1试验装置序批式生物膜反应器如图1所示，采用有机玻璃制成，内径为14cm，有效水深为98cm，有效容积为15L(其中沉淀区容积为1．5L)。在反应器壁上设有若干取样口，底部设有排泥、排水口，采用空气泵曝气。填料采用组合纤维，直径为12cm。图1SBBR反应器Fig．1SchematicdiagramofSBBRsystem1.2试验用水与分析方法原水采用自来水加淀粉配制，并投加少量氯化铵、磷酸二氢钾以及微量元素，其水质见表1。表1原水水质Tab．1Characteristicsofrawwastewatermg·L－1项目CODTNNH+4－NNO－3－NNO－2－N数值50～10025．6～32．122．4～29．11．5～2．00．1～0．3DO、pH值和ORP采用WTWpH/OXi340i仪在线检测，氨氮、COD采用标准方法分析［9］，NO－3－N和NO－2－N浓度采用ICS－1000离子色谱仪测定，TN采用TOC－VCPH分析仪测定。在分析NH+4－N、NO－2－N、NO－3－N和TN浓度时，水样先经0．45μm滤纸过滤。1.3试验运行与设计在进水TN为25．6～32．1mg/L、COD为50～100mg/L、pH值为7．1～7．6、温度为24～29℃条件下，研究不同曝气量与反应时间、氨氧化速率、NO－2－N积累率的关系。每个运行周期不进行pH值调整，出水pH值在6．9～7．8之间。每个运行周期包括瞬时进水、好氧曝气(1．25～2h，由氨氧化速率决定)、瞬时排水(排水采用100%换容)和闲置四个步骤，每天运行3个周期。工况Ⅰ～Ⅳ分别运行30、15、15、15d，详细操作条件见表2。表2试验操作条件Tab．2Schemeofexperimentalcondition项目曝气量/(L·h－1)液相平均DO/(mg·L－1)时间/dⅠ1004．901～30Ⅱ1205．3531～45Ⅲ1505．7046～60Ⅳ2005．7561～751.4生物膜的培养与驯化SBBR反应器的接种污泥取自广州猎德污水厂AB法B段的回流污泥，将新鲜污泥加入悬挂填料的反应器，同时加入模拟污水连续曝气，经过30d左右的培养后生物膜逐渐成熟。成熟的生物膜呈黄褐色，镜检能观察到菌胶团、丝状菌、累枝虫、轮虫等，系统对NH+4－N、COD的去除率均在80%以上，表明挂膜成功。生物膜膜片的厚度在15mm左右，生物膜的厚度为2～4mm。2结果及分析2.1曝气量对氨氧化速率的影响短程硝化受曝气量的影响较大，较高的曝气量会使短程硝化向全程硝化转变，同时曝气量的大小对氨氮的氧化速率以及同步反硝化的发生也会产生直接的影响。图2是在不同曝气量下氨氮浓度随反应时间的变化。由于曝气量的不同，氨氮的氧化速率也有所不同，如以氨氮基本完全被氧化(NH+4－N浓度＜1mg/L)为反应终点，当曝气量为100、120、150、200L/h时，所需时间分别为2、1．5、1．25、1．25h，相应的氧化速率分别为10．7、14．7、17．6、17．8mg/(L·h)。可见，氨氧化速率随着DO浓度的升高而增加，但在曝气量超过150L/h后，氨氧化速率的提高幅度甚微。·31·．watergasheat．com张立秋，等:SBBR系统短程硝化处理低碳城市污水研究第28卷第7期图2不同曝气量下氨氮浓度随反应时间的变化Fig．2Ammonianitrogenremovalunderdifferentairfluxes2.2曝气量对短程硝化的影响影响短程硝化的因素很多，有DO、温度、SRT、游离氨、曝气时间等。其中DO浓度是生物膜系统达到良好短程硝化效果的重要控制参数，直接关系到硝化效果及菌群结构［10］。NO－2－N积累率越高则表明系统内亚硝酸盐氮的积累量越多，亚硝化程度越高。因此，采用NO－2－N积累率表征系统内亚硝酸盐氮的积累程度。据文献报道，当NO－2－N积累率超过50%时即可以认为发生了短程硝化［11，12］。图3反映的是出水NO－x－N浓度及NO－2－N积累情况。可知出水中的NO－2－N积累率随曝气量的变化而变化，在曝气量为100、120、150、200L/h条件下NO－2－N的平均积累率分别为86．2%(78．6%～92．5%)、60．5%(40．5%～79．3%)、17．2%(7．4%～33．4%)和2%(0．6%～4．6%)。图3曝气量对出水NO－x－N浓度及NO－2－N积累率的影响Fig．3EffluentNO－x－NconcentrationandNO－2－Naccumulationratiounderdifferentairfluxes从图3可以看出，在曝气量为100、120L/h条件下NO－2－N积累率基本都在50%以上，说明发生了短程硝化;而在150～200L/h时积累率较低，短程硝化向全程硝化转变。其可能的原因为:①在低曝气量下大部分硝化菌从生物膜的表面被淘洗出去，而亚硝化菌成为生物膜中的优势菌属，即菌种的选择是实现短程硝化的关键;②由于亚硝化菌的氧饱和常数小于硝化菌，所以在长期的低曝气量下，两者之间将发生竞争与动力学选择［13，14］。表面膜中亚硝化菌的比例增加，而这种增加(膜的增长)又造成内部更低的溶解氧，动力学选择更为剧烈;选择的结果是表面膜中几乎被亚硝化菌所占据，从而可获得稳定的亚硝化。当表面膜全部被亚硝化菌所覆盖，溶解氧的扩散和消耗仅在表层中，亚硝酸盐的积累率可达到100%。而实际上，由于生物膜的不均匀分布和表面膜的脱落，溶解氧在某些生物膜中可扩散到达硝化菌层，一小部分硝化菌仍能获得溶解氧，从而使出水仍可能含有部分硝酸盐，但其比例有限，出水亚硝酸盐所占比例可达80%以上。当曝气量增加到150～200L/h时，由于DO值超过了抑制硝化菌生长的极限，使得硝化菌又开始成为优势菌群，将氨氮氧化为硝酸盐。监测显示，在进水TN为30mg/L左右的情况下，当曝气量为100、120、150、200L/h时出水TN分别为(9．5～13．5)、(13．0～17．4)、(15．1～17．8)和(19．6～24．7)mg/L，对TN的平均去除率分别为60．1%、48．1%、40．6%和22．7%。由此可知，对TN的去除率随着曝气量的增加而逐渐减小;在不同的曝气量下均有同步硝化反硝化发生，当曝气量为100～120L/h时以亚硝酸型SND为主，而当曝气量为150～200L/h时发生的主要是硝酸型SND，且同步脱氮率随着曝气量的增加而逐渐减小。分析在好氧条件下发生SND的原因是:生物膜厚度达2～4mm，其内部DO浓度相应降低而出现了缺氧区，为进行反硝化创造了条件。随着曝气量的增加，DO对生物膜的穿透越来越深，这就抑制了生物膜内部的反硝化作用，从而使得对TN的去除率降低［15］。对于生物膜来说，污水中的有机碳源首先被生物膜·41·第28卷第7期中国给水排水．watergasheat．com外层细菌吸附，在生物膜外部进行硝化反应，而在生物膜内部细菌利用吸附的和细胞内存储的内碳源在缺氧条件下进行反硝化［16，17］。有文献报道，在反应初